Heißkorrosions- und zyklisches Oxidationsverhalten von CoMoCrSi + Cr₃C₂-Verbundbeschichtungen auf MDN 420-Stahl hergestellt im HVOF-Sprühverfahren

Metallschutz unter extremen Hitzeeinwirkungen

Moderne Motoren, Kraftwerke und Industrieöfen arbeiten so heiß und unter so korrosiven Bedingungen, dass ihre Metallteile im Laufe der Zeit regelrecht „verbrennen“ können. Der Austausch dieser Bauteile ist teuer und mit Risiken behaftet. Die vorliegende Untersuchung betrachtet eine spezielle Schutzbeschichtung, die auf einen gebräuchlichen hochfesten Stahl aufgesprüht wird und darauf abzielt, Bauteile gegen Rissbildung, Zerfall und Korrosion bei starker Hitze und aggressiven Salzablagerungen zu schützen.

Warum heißes Metall auseinanderfällt

In vielen Turbinen, Kesseln und Chemieanlagen sind Metallteile gleichzeitig hohen Temperaturen und aggressiven Chemikalien ausgesetzt. Sauerstoff aus der Luft bildet allmählich Oxidschichten, während geschmolzene Salze – etwa aus Brennstoffverunreinigungen mit Natrium und Vanadium – diese Oxide angreifen und schnelle Wege für weiteren Schaden öffnen können. Unbeschichteter Stahl nimmt Gewicht zu, wenn dicke, schuppige Oxidschichten wachsen, verliert dann aber Material, wenn diese Schichten abplatzen. Im Laufe der Zeit führt dieser Zyklus aus Wachstum und Abplatzung zu Materialschwund, Rissen und dem Versagen kritischer Bauteile.

Eine widerstandsfähige neue Hülle für Stahl

Die Forschenden konzentrierten sich auf MDN 420-Stahl, einen martensitischen Edelstahl für anspruchsvolle Anwendungen, und überzogen ihn mit einer Verbundbeschichtung aus Kobalt, Molybdän, Chrom und Silizium, verstärkt durch harte Chromcarbid-Partikel. Mit einer HVOF-(High-Velocity Oxy-Fuel)-Spritzpistole wurde dieses Pulver mit Überschallgeschwindigkeit auf Stahlplatten abgeschossen und eine dichte Schicht von etwa zwei Zehntel Millimeter aufgebaut. Eine sorgfältige Steuerung des Sprühprozesses ergab eine Beschichtung mit geringer Porosität und einer Oberflächenrauheit, die dem Verschleißwiderstand zuträglich ist. Mikroskopische Untersuchungen zeigten eine kompakte Struktur mit gut verteilten Hartpartikeln und nur kleinen Rissen und Poren; Härtemessungen ergaben, dass die beschichtete Oberfläche mehr als dreimal härter war als der darunterliegende Stahl.

Wie die Beschichtung Hitze und Salz abwehrt

Um die Wirksamkeit zu prüfen, wurden beschichtete und unbeschichtete Stahlproben wiederholt auf 700 °C erhitzt und abgekühlt, entweder in Luft (zur Prüfung der Oxidation) oder in einer Mischung aus geschmolzenem Natriumsulfat und Vanadiumoxid (zur Prüfung der Heißkorrosion). In Luft förderte die Beschichtung das Wachstum dünner, zusammenhängender Schichten aus Chromoxid und Siliziumdioxid an ihrer Oberfläche. Diese Schichten wirkten wie eine dichte Haut, die die eindringende Sauerstoffdiffusion verlangsamte und mikroskopische Spalten zwischen Spritzsplatzen verschloss. Infolgedessen nahmen beschichtete Proben deutlich weniger an Gewicht zu als unbeschichteter Stahl, was auf viel geringeren Oxidaufbau hindeutet, und ihre Oxidationsrate blieb über 50 Zyklen niedrig und stabil.

Was in einem Salzbad passiert

Die Tests mit geschmolzenen Salzen waren weitaus aggressiver und ahmten Bedingungen in feuergestriebenen Kesseln und Turbinen nach, in denen Natrium- und Vanadiumverbindungen schmelzen und heiße Metalloberflächen benetzen können. Auch hier schnitt die Beschichtung besser ab als unbeschichteter Stahl: Gewichtszunahmen und Korrosionsraten waren deutlich geringer. Detaillierte Analysen zeigten jedoch, dass das Salz nicht einfach auf der Oberfläche liegen blieb. Es reagierte mit Molybdän- und Chromoxiden innerhalb der Beschichtung und bildete komplexe Salz-Oxid-Verbindungen. Diese neuen Phasen, etwa Natriummolybdat und Natriumvanadat, erzeugten poröse, leicht brüchige Skalen. Risse und Gruben bildeten sich, als flüchtige Molybdänoxide verdampften und die schützende Haut lokal ablöste, wodurch frisches Material weiterem Angriff ausgesetzt wurde.

Die Balance zwischen Festigkeit und langer Lebensdauer

Insgesamt reduzierte die Beschichtung sowohl die Oxidations- als auch die Heißkorrosionsraten im Vergleich zu unbeschichtetem MDN 420-Stahl deutlich – die gemessenen Geschwindigkeitskonstanten lagen um ein Vielfaches niedriger. Die Kombination aus einer zähen kobaltbasierenden Matrix, harten Karbidpartikeln und selbstbildenden schützenden Oxiden ermöglicht es dem beschichteten Stahl, höhere Temperaturen und korrosive Salze länger zu widerstehen. Die Studie zeigt jedoch auch die Grenzen dieses Schutzes: Dort, wo salzinduzierte Reaktionen und flüchtige Oxide Poren und schwache Skalen erzeugen, sammelt sich allmählich Schaden an. Für den Laien lautet die Schlussfolgerung, dass intelligent gestaltete Beschichtungen wie feuer- und chemikalienbeständige Panzer für heiße Metallteile wirken können und die Betriebszeit bis zum Ausfall deutlich verlängern – diese Schutzhülle muss jedoch weiter verfeinert werden, etwa durch Porenversiegelung oder Anpassung der Zusammensetzung, um den härtesten salzbelasteten Umgebungen standzuhalten.

Zitation: S, S., Prasad, C.D., Kumaraswamy, G.N. et al. Hot corrosion and cyclic oxidation behavior of CoMoCrSi + Cr₃C₂ composite coatings on MDN 420 steel by HVOF spray process. Sci Rep 16, 10677 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45658-z

Schlüsselwörter: Hochtemperaturbeschichtungen, Heißkorrosion, Oxidationsbeständigkeit, Thermalspritzen, Korrosionsschutz für Edelstahl